KR100866408B1 - 샘플의 농도 측정 시스템 - Google Patents

샘플의 농도 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

샘플의 농도 측정 시스템이 개시된다.
개시된 시스템은, 마이크로 웨이브를 출사하는 웨이브 소스; 상기 웨이브 소스로부터 출사된 웨이브가 진행하여 주파수 공진을 일으키는 유전체 공진기; 상기 유전체 공진기의 상면에 형성된 샘플을 탑재하기 위한 샘플 수용 홈; 상기 유전체 공진기에서 상기 샘플과 상호 작용한 후 출력된 웨이브를 검출하는 검출부; 상기 유전체 공진기로부터 반사된 반사파를 분석하는 회로망 분석기;를 포함한다.
본 발명에 따른 샘플 농도 측정 시스템은 마이크로파 근접장을 이용하여 샘플로부터 반사되는 웨이브 반사율과 공진 주파수 변화를 분석하여 샘플 농도의 정확도와 신뢰도를 높일 수 있는 장치이다.

Description

샘플의 농도 측정 시스템{System for measuring concentration of sample}
도 1은 종래의 동축선 근접장 현미경을 이용한 샘플 검사 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 종래의 슬릿이 형성된 도파관을 구비한 근접장 현미경을 이용한 샘플 검사 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플의 농도 측정 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플의 농도 측정 시스템에 채용된 유전체 공진기를 도시한 것이다.
도 5는 도 3에 도시된 샘플의 농도 측정 시스템에서 주파수에 따른 반사파의 반사 계수의 변화와, 농도에 따른 반사 계수의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 샘플의 부피 변화에 따른 반사 계수의 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 글루코스 농도 변화에 따른 반사 계수의 변화를 나타낸 것이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 설명>
1...유전체 공진기, 2...기판
3...샘플 수용홈, 4...마이크로 스트립 라인
5...웨이브 소스, 10...검출부
12...회로망 분석기, 13...스펙트럼 분석기
15...중앙 처리부, 18...센서
s...샘플
본 발명은 샘플의 농도 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전체 공진기에 샘플 수용홈을 일체로 형성하여 온도나 외부 환경의 영향을 최소화하여 농도를 정확하게 측정할 수 있는 샘플의 농도 측정 시스템에 관한 것이다.
나노미터 단위의 미세한 샘플의 특성을 관측하기 위한 광학 현미경은 빛으로 물체를 관측하기 때문에 회절한계 현상으로 인해 분해능에 한계가 있다. 회절한계 현상 때문에 크기가 빛의 파장의 1/2 이하인 물체는 광학적으로 관측할 수 없게 된다. 이러한 회절한계를 극복하고 빛의 파장보다 매우 작은 크기를 갖는 물질의 광학적 특성을 측정할 수 있는 근접장 현미경이 등장하게 되었다. 근접장 현미경에서는 빛의 파장보다 작은 개구를 통과한 빛이 이 개구의 크기와 같거나 작은 거리에 있는 샘플에 조사되도록 되어 있다. 이는 샘플 표면에서부터 빛의 파장보다 작은 거리 내에 있는 근접장은 회절을 일으키지 않는 현상을 이용하여 회절한계 현상을 극복하기 위한 것이다.
이러한 근접장(evanescent field and near field) 효과를 이용한 비접촉, 비파괴 현미경에 대한 연구는 STM(scanning tunneling microscope) 및 AFM(atomic force microscope)이 실현된 이래 표면 연구의 한 분야로서 등장하였다. 광학적 현미경 기술의 발전으로 인하여 기존의 광학적 방법에 의한 매질의 특성 측정이 거시적 관점에서 미시적 관점으로 전환되었다. 따라서, 샘플의 미시적 특성을 측정하는 방법이 새로운 연구 분야로 각광을 받기 시작했다. 한편, 산업적 측면에서도 각종 전자부품이 집적화되면서 미세구조에 대한 물리적 특성 연구가 중요한 문제로 부각되고 있다. 특히, 회절 한계를 갖는 고전적인 광학 측정 장비와 달리 회절 한계를 극복하는 새로운 측정 장비의 개발은 미세구조의 물리적 특성을 이해하고, 측정하는데 필수적인 방법이 되었다.
회절 한계를 극복한 방법의 하나로 근접장 효과를 이용한 현미경이 개발되었다. 특히, 통신부품이 집적화되면서 집적화 디바이스의 미세구조에 대한 광학 특성 연구에 마이크로파 및 밀리미터파 영역에서의 근접장 현미경의 개발이 요구되었다.
마이크로파를 이용한 근접장에 대한 실험은 Ash와 Nicholls에 의해 처음 이루어졌고, 현재까지 마이크로파 근접장 현미경은 발전을 거듭하여 다양한 응용분야에 적응되고 있다. 마이크로파 근접장 이미지를 얻는 방법으로 동축선(coaxial cable) 공진기, 스트립라인(stripline) 공진기, 도파관 슬릿(waveguide slit)을 이용한 방법들이 있다.
도 1은 종래의 동축선 공진기를 이용한 광학 현미경을 도시한 것으로, "APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 75, NUMBER 20"에 개시되어 있다.
이 근접장 광학 현미경은, 마이크로웨이브 소스(100)로부터 출사된 웨이브가 동축선 공진기(103)를 통해 진행되고, 상기 동축선 공진기(103)의 단부에 형성된 탐침(105)을 통해 광학적 특성을 조사하고자 하는 샘플(107)에 도달하도록 되어 있다. 상기 탐침(105)을 통해 나온 웨이브가 샘플(107)과 상호작용한 다음, 상기 탐침(105)을 통해 다시 동축선 공진기(103)로 들어간다. 그리고, 샘플(107)과의 상호작용에 의해 변형된 마이크로웨이브가 다이오드 검출기(110)에 의해 검출된다. 이와 같이 하여 샘플의 미시적, 광학적 특성을 측정할 수 있다. 여기서, 미설명 부호 102는 방향성 커플러를 나타낸다.
그런데, 동축선 공진기(103)를 이용하면 동축선 구조로 인한 차단 주파수 때문에 마이크로파 대역에서의 실험만을 수행할 수 있다. 따라서, 근접장 현미경의 공진 주파수를 마이크로파 대역의 특정 주파수에만 국한시켜 사용해야 하므로 최대의 감도(sensitivity)를 얻는데 한계가 있다. 그리고, 동축선 공진기(103)는 원통형의 내부 도체와 외부 도체로 이루어져 있는데, 이와 같이 두 개의 도체로 이루어진 구조에서는 TEM파만을 이용하여 실험을 수행해야 한다. 따라서, 샘플의 광학적 특성을 얻기 위해 웨이브의 다양한 모드를 사용하는데 제한이 따른다. 즉, 샘플이 웨이브와 상호작용하는데 있어서, 샘플마다 광학적 특성이 특히 잘 발현되는 모드가 있는데, 동축선 공진기에서는 TEM 모드만을 사용할 수밖에 없으므로 동축선 공진기를 이용한 근접장 현미경을 이용하여 조사할 수 있는 샘플의 종류나 범위가 좁아질 수밖에 없다.
또한, 상기 동축선 공진기(103)는 마이크로파 대역의 주파수를 사용하기 때문에 파장이 길어져서 동축선 공진기(103)의 길이가 길어진다. 도 1에 사용된 동축선 공진기(103)는 약 2m의 길이를 갖는다. 이와 같이 동축선 공진기(103)를 이용한 광학 현미경은 전체적인 부피가 매우 크고, 이러한 문제로 인해 상품화에 문제가 있다.
종래에 또 다른 근접장 현미경으로서, 도파관 슬릿을 이용한 현미경이 있다. "APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 77, NUMBER 1"에 개시된 도파관 슬릿을 이용한 근접장 현미경은, 도파관(113)의 일단에 슬릿(115)이 형성되고, 이 슬릿(115)의 아래쪽에 샘플(117)이 놓인 기판(120)이 배치되고, 상기 기판(120)의 아래쪽에 있는 광원(122)으로부터 광이 조사되도록 된 구조로 되어 있다. 미설명 부호 123은 쉐도우 마스크를 나타낸다.
상기 구조에서 광원(122)으로부터 조사된 광이 샘플(117)과 상호작용한 후 상기 슬릿(115)을 통해 상기 도파관(113)으로 들어간다. 그리고, 샘플과 상호작용(interaction)한 후의 광에 대한 특성을 검출기에 의해 측정함으로써 샘플의 형상과 특성을 알아낼 수 있다. 그런데, 상기와 같은 도파관 슬릿 구조에서는 웨이브가 슬릿을 통과하여 넓게 퍼지게 되기 때문에 웨이브 손실이 크고, 분해능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 보안된 구조의 도파관 공진기라 할지라도 외부의 환경에 민감하게 영향을 받고, 웨이브의 다양한 모드를 관찰할 수 없으며, 부피가 크고 설치 및 결합에 제약을 받을 뿐만 아니라, 탐침 끝단과 샘플 사이의 거리조절 장치를 장착하는데 어려움이 있어 다양한 샘플을 측정하는데는 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 유전체 공 진기를 채용하여 크기를 작게 하고, 품질 계수를 높여 센싱 감도를 향상하고, 외부 환경에 의한 영향을 감소시켜 정확한 측정을 할 수 있는 샘플의 농도 측정 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 샘플과 유전체 공진기 사이에 거리를 두지 않고 유전체 공진기에 샘플이 직접적으로 접촉하도록 하여 유전체 공진기와 샘플 사이에 외부 영향을 배제한 샘플의 농도 측정 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 마이크로 웨이브를 출사하는 웨이브 소스;
상기 웨이브 소스로부터 출사된 웨이브가 진행하여 주파수 공진을 일으키는 유전체 공진기;
상기 유전체 공진기의 상면에 형성된 샘플을 탑재하기 위한 샘플 수용 홈;
상기 유전체 공진기에서 상기 샘플과 상호 작용한 후 출력된 웨이브를 검출하는 검출부;
상기 유전체 공진기로부터 반사된 반사파를 분석하는 회로망 분석기;를 포함하는 샘플의 농도 측정 시스템을 제공한다.
상기 유전체 공진기의 양측에 마이크로 스트립 라인이 더 구비된다.
상기 마이크로 스트립 라인은 직각으로 굽은 형태를 가질 수 있다.
상기 웨이브 소스는 상기 중앙처리부의 제어에 따라 특정 주파수의 웨이브를 발생시킬 수 있다.
상기 유전체 공진기의 임피던스가 50Ω을 유지하도록 조절된다.
상기 샘플 수용 홈은 원통형으로 형성될 수 있다.
상기 샘플은 NaCl 용액 또는 글루코스 용액일 수 있다.
상기 샘플 수용 홈은 상기 유전체 공진기의 두께의 1/2에서 유전체 공진기의 두께보다 작은 범위의 깊이를 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플의 농도 측정 시스템에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 샘플의 농도 측정 시스템은 웨이브를 출력하는 웨이브 소스(5)와, 상기 웨이브 소스(5)로부터 출력된 웨이브가 진행하는 유전체 공진기(1)를 포함한다. 상기 웨이브 소스(5)는 마이크로파 영역으로부터 밀리미터파 영역 사이의 주파수를 갖는 웨이브를 생성한다. 웨이브 소스(5)로부터 출력되는 웨이브의 주파수는 중앙 처리부(15)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 결정된다.
본 발명에 따른 측정 시스템에서 사용하는 유전체 공진기의 구조는 도 4에 도시되어 있다. 상기 유전체 공진기(1)는 기판(2) 위에 장착되고, 유전체 공진기(1)의 상면에 샘플 수용 홈(3)이 형성되고 이 홈(3)에 샘플(s)이 놓여진다. 샘플(s)은 분말 형태, 액체, 고체 형태 등 다양하게 적용될 수 있으며, 여기서는 특히 액체를 예로 들어 설명한다. 액체로는 예를 들어 NaCl 용액(소금물) 또는 글루코스(포도당) 용액이 될 수 있으며, NaCl 농도 또는 글루코스 용액을 측정하는 것이다.
한편, 상기 기판(2)의 상면으로부터 유전체 공진기(1)의 측벽으로 마이크로 스트립 라인(4)이 설치되어 있다. 상기 마이크로 스트립 라인(4)은 직각으로 굽어진 형태를 가질 수 있다. 유전체 공진기(1)의 한쪽에는 웨이브 소스(5)로부터 출력된 웨이브를 유전체 공진기(1)로 입력하기 위한 입력선(I)이 구비되고, 상기 입력선(1)의 마주보는 위치의 유전체 공진기에 유전체 공진기(1)에서 샘플(s)과 상호 작용한 후의 웨이브를 출력하기 위한 출력선(o)이 구비된다. 웨이브는 상기 마이크로 스트립 라인(4)을 통해 유전체 공진기(1)로 전송된다. 웨이브가 유전체 공진기(1)를 통해 전달될 때 유전체 공진기(1) 내부의 전계와 자계의 필드 분포를 보면 유전체 공진기(1)의 중심 라인에서 최대가 된다. 전계가 최대인 위치에서 민감도가 크므로, 상기 샘플 수용 홈(3)을 유전체 공진기(1)의 중심 라인까지 오도록 하여 좀더 정확한 농도 측정을 할 수 있다. 즉, 상기 샘플 수용 홈(3)의 깊이를 유전체 공진기(1)의 두께(t)의 1/2에서 유전체 공진기(1)의 두께보다 작은 범위를 가지도록 한다.
한편, 상기 샘플 수용 홈(3)은 다양한 형태를 가질 수 있지만, 예를 들어 원통형일 수 있다. 원통형은 원통의 중심축을 중심으로 모든 방향에 대해 대칭이므로 샘플로 인한 변화가 모든 방향에 대해 균일하게 일어날 것이므로 보다 정확한 농도 측정을 도모하는데 도움이 될 수 있다.
유전체 공진기(1)는 샘플의 농도에 따라 공진 주파수와 임피던스가 변화되며, 이러한 변화량은 검출부(10)로부터 측정된다. 상기 검출부(10)는 유전체 공진기(1)로부터 공진 주파수 및 반사율(S11,S21)의 변화량을 측정하기 위해 회로망 분석기(12) 및 스펙트럼 분석기(13)을 포함한다. 회로망 분석기는 입력된 웨이브의 크기, 위상, 반사율, 전송율, 유전체 공진기의 임피던스 등을 측정한다. 스펙트럼 분석기는 입력되는 웨이브의 스펙트럼을 측정한다. 검출부에 의해 측정된 웨이브의 공진 주파수 및 반사율(S11,S21) 변화량을 기초로 샘플의 농도를 계산한다.
다음은 본 발명에 따른 샘플의 농도 측정 시스템의 동작에 대해 설명한다.
전송 선로 이론을 적용하여 전송 선로의 반사 계수(reflection coefficient) S11는 샘플 표면의 특성 임피던스와 샘플 수용 홈의 특성 임피던스를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다. 샘플 수용 홈은 유전체 공진기(1)에 일체로 형성되어 있으므로 샘플 수용 홈의 특성 임피던스는 유전체 공진기(1)의 특성 임피던스와 같다.
Figure 112007009592556-pat00001
여기서, Z0는 유전체 공진기의 특성 임피던스로 예를 들어 50Ω으로 메칭된다. 따라서, Z0는 유전체 공진기 및 회로망 분석기를 포함한 측정 시스템 전체의 임피던스이다. ZR은 샘플의 농도에 대한 특성 임피던스이다. 이하에서는 샘플을 소금물로 하여 NaCl 농도를 측정하는 것에 대해 예를 들어 설명한다. 위에서, ZR은 샘플 수용 홈에 수용된 샘플 표면의 원형에 대한 농도의 임피던스를 나타낸다. 일반적으로 원형의 NaCl의 복소 유전율(ε)은 다음과 같이 구해질 수 있다.
Figure 112007009592556-pat00002
여기서, ε0는 물의 유전율을 나타낸 것으로, 물의 복수 유전율에서 ε0'는 실수 파트의 유전율이고, ε0"는 허수 파트의 유전율을 나타낸다. 예를 들어, 25℃, 4 GHz 주파수대에서 ε0'=75.33이고, ε0"=14.58이다. c는 NaCl 용액의 농도이고, γ는 단위당 용액의 농도가 증가되었을 때의 유전율 증가분을 나타낸 것으로 γ'는 실수 파트의 증가 유전율이고, γ"는 허수 파트의 증가 유전율을 나타낸다. 예를 들어, γ'=0.0695(mg/ml)-1이고 γ"=0.0019(mg/ml)-1이다.
다음 ZR은 샘플 수용 홈의 원형의 NaCl 농도의 임피던스를 근사화한 값이다.
Figure 112007009592556-pat00003
Za는 공기 중 임피던스(377Ω)이고, ka는 공기 중의 웨이브 벡터(4 GHz에서 ka=84m-1)이고, εs는 샘플 수용 홈 표면의 원형의 NaCl의 유전율로서 예를 들어 4 GHz에서 εs=5이다. 그리고, ν는 NaCl의 부피를, s는 샘플 표면의 면적으로 예를 들어 25mm2이다. 측정 시스템에서는 반사 계수를 측정하고, 이 반사 계수로부터 ZR값을 알 수 있으며, 이 ZR 값으로부터 ε을 알 수 있다. 그럼으로써, 결과적으로 ε 으로부터 수학식 2로부터 용액의 농도를 알 수 있다.
본 발명에서는 상기 회로망 분석기(12)로부터 반사계수의 변화를 검출하고, 이 반사계수를 이용하여 수학식 1로부터 유전체 공진기의 특성 임피던스의 변화량을 알아낸다. 그런 다음, 수학식 2와 3으로부터 샘플의 유전 상수와 유전율을 알아냄으로써 샘플의 NaCl 농도를 계산할 수 있다.
도 5는 주파수에 따른 반사 계수(S11)의 변화량을 NaCl 농도 별로 도시한 것이다. 반사 계수는 입력에 대한 반사의 비를 나타낸다. 여기서, a, b, c, d, e, f는 NaCl 농도를 나타낸 것으로, 구체적으로, a는 증류수, b는 2mg/ml, c는 4mg/ml, d는 6mg/ml, e는 8mg/ml, f는 10mg/ml를 나타낸다. 도 5를 참조하면, NaCl의 농도가 증가할수록 반사 계수가 증가하는 것을 알 수 있다. 도 5의 박스 안에 도시된 것은 반사 계수에 대한 농도의 관계를 스케일을 달리하여 나타낸 것으로, 이것으로부터 반사 계수와 농도가 선형의 관계를 가짐을 알 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 농도가 증가함에 따라 공진 주파수가 왼쪽으로 쉬프트된다. 이것으로 보아 용액의 농도 변화에 따라 반사 계수와 공진 주파수가 변화됨을 알 수 있다. 여기서, 공진 주파수의 변화에 비해 상대적으로 반사 계수의 변화가 크므로 반사 계수에 대한 변화로부터 용액의 농도를 측정하는 것이 공진 주파수의 변화로부터 용액의 농도를 측정하는 것 보다 더 정확할 수 있다. 하지만, 더 정확도를 높이기 위해, 반사 계수의 변화와 공진 주파수의 변화를 모두 고려할 수 있다. 예를 들어, a에 대한 공진 주파수를 기준으로 농도가 b, c, d, e, f 일 때의 반사 계수를 측정한다. 그럼으로써 반사 계수의 변화와 공진 주파수의 변화를 모두 반영하여 용액 샘플의 농도를 측정할 수 있다.
도 6은 샘플의 부피에 대한 반사 계수의 변화를 나타낸 것으로 샘플의 부피에 따라 반사 계수가 비선형적으로 변화된다. 따라서, 샘플의 부피를 일정하게 하는 것이 정확한 농도 측정에 유리하다. 이러한 점을 고려하여 상기 샘플 수용 홈에 샘플의 높이를 감지하는 센서(18)를 더 구비할 수 있다. 샘플 수용 홈에 최적인 표준 샘플 수용 깊이를 정하고, 샘플을 주입할 때 그 표준 깊이에 이르면 센서로부터 알람이 울리도록 할 수 있다. 이와 같이 함으로써 샘플의 부피가 달라짐에 따라 농도 측정이 달라지는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 글루코스 농도에 따른 반사 계수의 변화를 나타낸 것으로, 앞서 설명한 바와 같이 NaCl 농도를 측정하는 방법과 동일하게 반사 계수 변화를 측정하여 글루코스의 농도를 알아 낼 수 있다.
본 발명에 따른 샘플 농도 측정 시스템은 마이크로파 근접장을 이용하여 샘플로부터 반사되는 웨이브 반사율과 공진 주파수 변화를 분석하여 샘플 농도의 정확도와 신뢰도를 높일 수 있는 장치이다.
또한, 유전체 공진기를 이용하여 외부 환경에 의한 영향을 최소한으로 줄일 수 있는 이점이 있으며, 더 나아가 유전체 공진기에 샘플 수용홈을 일체로 형성하여 샘플과 공진기가 직접으로 접촉되도록 함으로써 공진기와 샘플이 떨어져 있음으로 해서 발생할 수 있는 부정확성을 줄일 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (9)

  1. 마이크로 웨이브를 출사하는 웨이브 소스;
    상기 웨이브 소스로부터 출사된 웨이브가 진행하여 주파수 공진을 일으키는 유전체 공진기;
    상기 유전체 공진기의 상면에 형성된 샘플을 탑재하기 위한 샘플 수용 홈;
    상기 유전체 공진기에서 상기 샘플과 상호 작용한 후 출력된 웨이브를 검출하는 검출부;
    상기 유전체 공진기로부터 반사된 반사파를 분석하는 회로망 분석기;를 포함하고,
    상기 샘플 수용 홈은 상기 유전체 공진기의 두께의 1/2에서 유전체 공진기의 두께보다 작은 범위의 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 샘플의 농도 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기의 양측에 마이크로 스트립 라인이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 샘플의 농도 측정 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립 라인은 직각으로 굽은 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 샘플의 농도 측정 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 공진기의 임피던스가 50Ω을 유지하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 샘플의 농도 측정 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플 수용 홈은 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 샘플의 농도 측정 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플은 NaCl 용액 또는 글루코스 용액인 것을 특징으로 하는 샘플의 농도 측정 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플 수용 홈에 용액 샘플을 넣을 때 용액의 높이를 검출하는 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 샘플의 농도 측정 시스템.
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